Файл: Учебное пособие Рекомендовано Дальневосточным региональным учебнометодическим центром в качестве учебного пособия для студентов неэнергетических.doc

В процессе : – работа сжатия газа, совершаемая поршнем компрессора и равная площади .

Таким образом, если графически суммировать все рассмотренные работы на P–V диаграмме, то получим

.

По площади это – техническая работа ( ), то есть

, .
6.2. Определение параметров основных процессов сжатия
В качестве процесса сжатия ( ) может быть использован любой политропный процесс, кроме изохорного и изобарного. Основные процессы сжатия в P-V и T-S диаграммах представлены соответственно на рис. 6.3 - 6.4.

Рис. 6.3. Основные процессы сжатия в P-V диаграмме

Рис. 6.4. Основные процессы сжатия в T-S диаграмме

Используем для анализа процессов сжатия Первый закон термодинамики:

,

так как , то и, следовательно,

.

Из этого выражения можно сделать следующее выводы:

а) работа компрессора тем меньше, чем больше количество тепловой энергии отводится от рабочего тела в процессе сжатия рабочего тела;

б) работа компрессора отрицательна, так как она затрачивается внешними силами, эта работа является технической работой;

в) при адиабатном сжатии и вся работа компрессора затрачивается на увеличение энтальпии рабочего тела: ;

г) при изотермическом сжатие и вся работа компрессора должна быть превращена в тепловую энергию, отводимую от рабочего тела: .

Вычислим работу компрессора для различных процессов сжатия. В общем случае: .

1. Работа компрессора при изотермическом процессе сжатия ( ; ):

.

2. Работа компрессора при политропном процессе сжатия ( ; ):

.

3. 
   Работа компрессора при адиабатном процессе сжатия ( ; ):
   

.

Рассматривая эти зависимости, а также графические изображение работы компрессора в P–V диаграмме можно сделать вывод, что минимальная работа совершается компрессором при изотермическом сжатии, однако осуществить этот процесс в реальных компрессорах технически не возможно.

В качестве важных характеристик компрессоров используются величины:

• 
  – степень повышения давления рабочего тела;
  
• 
  – степень сжатия рабочего тела.
  

6.3. Действительная P–V диаграмма компрессора
На рис. 6.5 представлена действительная P-V диаграмма процессов в поршневом компрессоре. Действительная диаграмма процессов поршневого компрессора отличается от теоретической, так как она учитывает:

---

а) потерю давления при всасывании, затрачиваемую на открытие впускного клапана и преодоление сил трения ( );

б) потерю давления при выхлопе, затрачиваемую на открытие выпускного клапана и преодоление сил трения ( );

в) наличие в объеме цилиндра вредного пространства ;

г) наличие остаточного объема газа , который создается за счет расширения газа из вредного пространства

.

Таким образом, рабочий объем компрессора меньше полного объема V на величину

.

Рис. 6.5. Действительная P-V диаграмма процессов в поршневом компрессоре

Эффективность процесса сжатия может быть оценена объемным КПД:

= (0,3÷0,7).

Количество поступающего в компрессор газа в единицу времени называется производительностью компрессора ; кг/с.

Теоретическую мощность, затрачиваемую на привод компрессора можно определить:

, Вт.

С увеличением m объем возрастает и в предельном случае (см. рис. 6.6) и , то есть вся работа компрессора затрачивается на сжатие газа до вредного объема, при этом производительность компрессора . В одноступенчатом компрессоре трудно получить высокое давление газа.

Рис. 6.6. К определению предельного значения степени повышения давления

6.4. Процессы в многоступенчатом компрессоре
Многоступенчатые компрессоры применяются для получения сжатого газа высокого давления. На рис 6.7 представлена схема многоступенчатого поршневого компрессора.

Увеличение числа ступеней дает определенные преимущества:

а) повышает объемный КПД компрессора, так как снижается доля вредного объема в общем объеме сжимаемого газа;

б) уменьшается работа, затрачиваемая на привод компрессора;

в) многоступенчатая структура позволяет понизить конечную температуру газа за счет промежуточного охлаждения, что улучшает условия эксплуатации компрессора.

Рис. 6.7. Схема двухступенчатого поршневого компрессора
Промежуточное охлаждение рабочего тела в холодильнике позволяет приблизить процесс сжатия к оптимальному – изотермическому процессу. Полученная экономия работы компрессора будет тем больше, чем больше будет промежуточных ступеней в компрессоре (рис. 6.8 – 6.9).

---

Рис. 6.8. Многоступенчатое сжатие в P-V диаграмме

Рис. 6.9. Многоступенчатое сжатие в T-S диаграмме

Работа многоступенчатого компрессора определяется по зависимости

,

где z – количество ступеней;

- оптимальная промежуточная степень повышения давления.

С увеличением числа ступеней компрессора возрастает его сложность и удорожается изготовление, поэтому число ступеней ограничивается технико–экономической целесообразностью.

Процессы сжатия в реальных компрессорах характеризуются наличием внутренних потерь на трение, поэтому работа, затрачиваемая на сжатие газа, оказывается больше, чем техническая работа идеального компрессора.

Если процесс сжатия идет по адиабате (без охлаждения цилиндра), то эффективность работы компрессора оценивается адиабатным КПД:

Для сравнения совершенства конструкции компрессоров применяют изотермический КПД:

, .

Контрольные вопросы для самопроверки пройденного материала

1. 
   Какие виды компрессоров применяются для сжатия газов или паров?
   
2. 
   Назовите основные технические характеристики компрессоров.
   
3. 
   Приведите примеры использования сжатых газов и паров в технике.
   
4. 
   Какие термодинамические процессы можно использовать в качестве процессов сжатия?
   
5. 
   Как определить работу сжатия в P-V диаграмме?
   
6. 
   Докажите, что работа сжатия является технической работой.
   
7. 
   В каком идеальном процессе сжатия работа компрессора минимальна?
   
8. 
   В каком процессе сжатия работа на привод компрессора имеет максимальную величину?
   
9. 
   От чего зависит объемный КПД компрессора?
   
10. 
    Каким способом модно снизить затраты работы на привод компрессора?
    
11. 
    Изобразите основные процессы сжатия в P-V и T-S диаграммах?
    
12. 
    Как рассчитать мощность, затраченную на привод компрессора?
    
13. 
    Изобразите действительную диаграмму процессов в поршневом компрессоре.
    
14. 
    В каких случаях используются многоступенчатые компрессоры?
    
15. 
    Как зависит работа, необходимая на привод компрессора от количества ступеней сжатия?
    
16. 
    Назовите КПД, используемые для оценки эффективность работы компрессора?
    
17. 
    Какие преимущества имеют многоступенчатые компрессора?
    
18. 
    Какие виды компрессоров позволяют получить газ или пар высокого давления?
    
19. 
    Объясните принцип действия компрессора объемного сжатия.
    
20. 
    Объясните принцип действия компрессора кинетического сжатия.
    

---

---

ГЛАВА 7. Основы циклических процессов
7.1. Второй закон термодинамики
Первый закон термодинамики накладывает ограничение на энергетический баланс термодинамической системы, но не рассматривает направленность передачи тепловой энергии при осуществлении процессов в тепловых двигателях.

Первый закон термодинамики подтверждает наличие запрета на создание вечного двигателя первого рода, в котором возможно получать полезную работу без затрат энергии.

Опытные данные показывают, что механическую работу можно всю превратить в тепловую энергию (например, путем трения), однако всю тепловую энергию превратить в механическую работу невозможно. Это связано с действием одного из фундаментальных законов природы – второго закона термодинамики.

Второй закон термодинамики накладывает ограничения на направленность передачи тепловой энергии в термодинамической системе, обуславливает принцип работы теплового двигателя и связывает совокупность энергетических превращений рабочего тела в тепловых машинах с изменением энтропии термодинамической системы.

Второй закон включает в себя два постулата.

ПОСТУЛАТ КЛАУЗИУСА:

Тепловая энергия может переходить сама собой только от тела с более высокой температурой (горячего источника) к телу с более низкой температурой (холодному источнику).

ПОСТУЛАТ ТОМСОНА:

Нельзя осуществить тепловой двигатель, единственным результатом действия которого было бы полное превращение тепловой энергии какого–либо тела (источника теплоты) в полезную работу, часть этой энергии должна быть отдана другому телу с более низкой температурой (теплоприёмнику).

На рис. 7.1 представлено пояснение ко Второму закону термодинамики.


Рис. 7.1. Пояснение ко Второму закону термодинамики
Из постулата Томсона следует, что невозможно создать вечный двигатель второго рода, который создавал бы работу за счет полного использования энергии источника теплоты.

Важнейшим выводом, получаемым из Второго закона термодинамики, является утверждение о том, что любой реальный самопроизвольный процесс является необратимым.
7.2. Понятие циклического процесса
Для использования тепловой энергии созданы тепловые машины различного назначения. Машины, которые обеспечивают выработку полезной работы называются

---